相鄰基坑先后開挖互相影響研究

郭思磊

(中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

工程施工中,有時(shí)受場(chǎng)地限制,需要在既有基坑周邊開挖坑外坑,或者大基坑內(nèi)部存在不同深度的坑中坑,相鄰基坑之間的地基受力及變形特征、穩(wěn)定性等無疑變得更加復(fù)雜,給理論設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐都提出了新的挑戰(zhàn)。與單基坑相比,相鄰基坑之間存在明顯耦合作用,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力和對(duì)周圍環(huán)境的影響也變得更加復(fù)雜[1-2]。特別是在軟土地區(qū),由于淤泥質(zhì)土層強(qiáng)度低、壓縮性高等特點(diǎn),相鄰基坑開挖的相互影響效應(yīng)尤為明顯,施工中不得不予以考慮。目前,大多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判別施工時(shí)可能出現(xiàn)的問題,只是針對(duì)特定的實(shí)例提出某個(gè)觀點(diǎn),未能形成較為系統(tǒng)的理論,施工中可借鑒資料匱乏。許多專家學(xué)者已對(duì)相鄰基坑同步開挖產(chǎn)生的相互影響進(jìn)行了研究。張竹庭[3]利用二維數(shù)值模擬分析了相鄰基坑交界處土坡的穩(wěn)定性;陳江等[4]研究了連續(xù)墻在相鄰深基坑同時(shí)開挖工況下的受力,分析了圍護(hù)墻頂部水平位移、沉降、支撐軸力的變化規(guī)律;馬雪妍等[5]對(duì)軟土地區(qū)相鄰基坑開挖時(shí)序?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響進(jìn)行了研究;文仁學(xué)等[6]對(duì)復(fù)雜填海地層相鄰超大深基坑開挖相互影響穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究;秦奇峰[7]研究了基坑開挖對(duì)相鄰建筑物的影響。

1 工程實(shí)例

本工程為昆明地鐵5號(hào)線工程世博車輛段,位于昆明市東三環(huán)與白龍路交叉口東南側(cè),西南林業(yè)大學(xué)以北,建筑面積39萬m2,設(shè)有2座綜合樓、停車列檢庫(kù)等功能單體建筑?？辈炱陂g水深1.5 m。各結(jié)構(gòu)物相對(duì)位置及地質(zhì)情況如圖1所示。

1)車輛段落地區(qū)基坑。車輛段落地區(qū)基坑寬度45 m,長(zhǎng)度250 m,底板埋深約16.5 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡+地連墻結(jié)合內(nèi)支撐,明挖順作法施工。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖深度約13 m,采用地連墻圍護(hù),墻厚1.0 m,深度約28 m,內(nèi)支撐采用1道混凝土支撐+1道型鋼支撐,坑底設(shè)置旋噴樁裙邊加固。主體結(jié)構(gòu)形式為三柱四跨箱型結(jié)構(gòu),底板厚1.5 m。其主要結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

第一道為混凝土支撐,水平桁架混凝土對(duì)撐組,混凝土支撐間距9 m,布置如圖3所示。

第二道為型鋼支撐,型鋼截面HW400×400×13×21支撐,每組3根～4根,布置如圖4所示。

2)樓座基坑設(shè)計(jì)方案。在車輛段落地區(qū)基坑外同步施工2處樓座鋼板樁基坑,深度約8 m,鋼板樁長(zhǎng)18 m,一道鋼支撐,圍檁為3拼Ⅰ40工字鋼,支撐為φ609 mm×14 mm鋼管,鋼板樁布置及結(jié)構(gòu)立面如圖5,圖6所示。

2 施工監(jiān)測(cè)

本處施工安全風(fēng)險(xiǎn)涉及兩個(gè)方面:一是車輛段落地區(qū)基坑開挖的安全及對(duì)鄰近樓座基坑的影響,二是鄰近樓座基坑本身開挖時(shí)的安全狀況。

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

主要針對(duì)車輛段落地區(qū)基坑及相鄰樓座鋼板樁基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

車輛段落地區(qū)基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有:

1)圍護(hù)墻頂水平豎向位移;2)圍護(hù)墻體深層水平位移;3)立柱水平豎向位移;4)支撐軸力;5)鄰近橋墩承臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)。

樓座鋼板樁基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有:

1)鋼板樁深層水平位移;2)樁頂水平豎向位移;3)支撐軸力。

基準(zhǔn)點(diǎn)在基坑施工前設(shè)置,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在開挖前應(yīng)測(cè)得初始值,且不少于兩次。位移和沉降觀測(cè)基點(diǎn)應(yīng)設(shè)在影響范圍以外,主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在觀測(cè)量最大處。

2.2 監(jiān)測(cè)控制值

本項(xiàng)目施工安全監(jiān)測(cè)等級(jí)為一等,構(gòu)筑物及周邊巖土體監(jiān)測(cè)控制值按表1采用。

表1 車輛段落地區(qū)基坑變形監(jiān)測(cè)控制值

3 工況介紹

根據(jù)施工安排,車輛段落地區(qū)基坑先行開挖,2個(gè)樓座基坑后開挖,步序如下:

步驟1):施作鋼板樁和地下連續(xù)墻圍護(hù),施作雙軸攪拌樁及袖閥管注漿地基加固土。

步驟2):落地區(qū)基坑施作冠梁及混凝土支撐(見圖7)。

步驟3):落地區(qū)基坑開挖至鋼支撐底部,施作圍檁以及鋼支撐。

步驟4):落地區(qū)基坑開挖至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高(如圖8所示)。

步驟5):落地區(qū)基坑開挖完成后,2個(gè)樓座基坑同時(shí)開挖,施作圍檁及支撐。

步驟6):樓座鋼板樁基坑開挖至底部(見圖9)。

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將實(shí)測(cè)位移及軸力數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件,自動(dòng)生成相應(yīng)圖表,便于對(duì)比分析。

4.1 落地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

4.1.1 地下連續(xù)墻監(jiān)測(cè)

1)車輛段落地區(qū)基坑開挖至基底時(shí)。地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖10所示,水平方向總位移最大為21.62 mm,位移最大值出現(xiàn)在距地連墻頂部約10 m的位置。

2)樓座鋼板樁基坑開挖至基底時(shí)。1號(hào)、2號(hào)樓座基坑同時(shí)開挖,此時(shí)落地區(qū)基坑地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖11所示,水平方向總位移最大為21.64 mm,位移最大值出現(xiàn)在距離地連墻頂部10 m位置。

為直觀對(duì)比地連墻在單基坑開挖和雙基坑開挖工況下的水平位移變化,在基坑兩側(cè)長(zhǎng)邊向各取3個(gè)位置,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),繪制最終開挖步下地連墻沿深度下的變形曲線,如圖12所示,其中1-1′和3-3′分別為距離樓座鋼板樁最近的位置。

1-1′最大水平向位移約為10.1 mm;3-3′最大水平位移約為11.9 mm,出現(xiàn)在地連墻深度約8 m的位置,如圖13所示。

4.1.2 內(nèi)支撐

1)車輛段落地區(qū)基坑開挖至基底時(shí)?；觾?nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖14所示,水平方向總位移最大為16.71 mm。

重點(diǎn)關(guān)注落地區(qū)鄰近鋼板樁附近的鋼支撐變形,統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)支撐軸力圖,如圖15所示,拉為正壓為負(fù),其軸力最大值為1 567.54 kN。

2)樓座鋼板樁基坑開挖至基底。車輛段落地區(qū)基坑內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖16所示,水平方向總位移最大為16.72 mm。

重點(diǎn)關(guān)注落地區(qū)基坑鄰近鋼板樁附近的鋼支撐變形,統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)支撐軸力,如圖17所示,拉為正壓為負(fù),軸力最大值1 556.64 kN。

4.2 對(duì)樓座圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

4.2.1 鋼板樁

樓座基坑開挖至底部時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖18所示,水平方向總位移最大為9.85 mm。

4.2.2 內(nèi)支撐

樓座基坑開挖至底部時(shí),內(nèi)支撐位移如圖19所示,水平方向總位移最大為8.82 mm。

統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)支撐軸力圖如圖20所示,軸力最大為311.64 kN。

5 數(shù)據(jù)匯總

為了研究車輛段落地區(qū)基坑及其與1號(hào)、2號(hào)樓座基坑開挖過程中的相互影響,以地連墻、鋼板樁為主要研究對(duì)象,統(tǒng)計(jì)了各開挖步驟下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及支撐內(nèi)力如表2所示。

表2 車輛段落地區(qū)基坑及樓座鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力詳表

6 統(tǒng)計(jì)分析

6.1 單基坑開挖

開挖步驟1)—4)時(shí),車輛段落地區(qū)基坑遠(yuǎn)離樓座基坑區(qū)域(5-5′和6-6′處)幾乎不受相鄰基坑開挖影響,可視作單基坑開挖。

6.1.1 圍護(hù)墻側(cè)移

從上圖可以看出,單工況下,水平方向最大側(cè)移為20.52 mm,位于地面以下10 m處,兩側(cè)圍護(hù)墻側(cè)移曲線對(duì)稱,隨著開挖深度的增加,最大側(cè)移點(diǎn)深度逐漸下移,同時(shí)墻體下端出現(xiàn)明顯的踢腳現(xiàn)象。

6.1.2 圍護(hù)墻軸力

遠(yuǎn)離雙基坑開挖處,支撐軸力對(duì)稱分布,最大軸力為1 567.54 kN。

6.2 雙基坑開挖

6.2.1 圍護(hù)墻側(cè)移

兩端圍護(hù)墻側(cè)移分布規(guī)律類似,墻頂側(cè)移量較小,隨著土層深度的增加,墻體側(cè)移先增大后減小,最大側(cè)移位于埋深約10 m位置處。由于受樓座側(cè)基坑開挖卸載影響,水平位移比單基坑開挖時(shí)要小。

6.2.2 圍護(hù)墻軸力

遠(yuǎn)離雙基坑開挖處,支撐最大軸力為1 567.54 kN,1號(hào)、2號(hào)樓鋼板樁基坑開挖至底部后,支撐最大軸力變?yōu)? 556.64 kN,表明相鄰基坑開挖后,對(duì)本體基坑存在明顯的卸載效應(yīng)。

7 結(jié)論和建議

7.1 結(jié)論

軟土地區(qū)基坑工程受相鄰基坑開挖的相互影響,呈現(xiàn)以下特征:

1)相鄰基坑開挖將引起本體基坑整體向相鄰側(cè)的附加位移,且根據(jù)兩個(gè)基坑施工順序的不同,本體基坑兩側(cè)圍護(hù)墻產(chǎn)生附加位移的大小也不同。當(dāng)采用同步施工時(shí),近端墻附加位移遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端墻,對(duì)基坑安全不利。

2)本體基坑與相鄰基坑之間夾心土的位移存在明顯的疊加效應(yīng),相鄰基坑的開挖將顯著增加該部分土體的位移量,這對(duì)地表沉降的控制極為不利?；拥拈_挖順序?qū)A心土地表最終變形量影響不大。

3)受格構(gòu)柱和橫向支撐的影響,支撐軸力呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布特點(diǎn)。相鄰基坑的開挖將引起本體基坑土壓力的非對(duì)稱分布,進(jìn)一步引起支撐軸力的非對(duì)稱分布,靠近相鄰基坑一側(cè)支撐軸力較小。

7.2 建議

為確保整體工程安全,建議采取如下措施:

1)繼續(xù)樓座基坑與車輛段落地區(qū)基坑鄰近地層,可考慮施作一排抗滑樁或插打一排鋼管樁,增加整體剛度。

2)所有基坑挖土卸載應(yīng)分層、緩慢進(jìn)行,施工前及施工過程中及時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況,發(fā)現(xiàn)調(diào)整時(shí)及時(shí)修整。

3)優(yōu)先考慮車輛段落地區(qū)基坑與樓座基坑相鄰區(qū)域范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)的布置與保護(hù),確保測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)能真實(shí)反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及施工過程中數(shù)據(jù)的完整性,對(duì)于因意外而導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)損壞的情況,需及時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充布置。

4)在車輛段落地區(qū)基坑與樓座鋼板樁基坑開挖過程中,加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)(至少一天兩測(cè)),當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)值達(dá)預(yù)警限值時(shí),應(yīng)立即停止施工,根據(jù)動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)果調(diào)整施工工藝和工程措施。